CN110729713A

CN110729713A - 一种适用于直流微网的二次电压调节方法

Info

Publication number: CN110729713A
Application number: CN201910985618.0A
Authority: CN
Inventors: 肖宏飞; 陈鑫; 林艳艳
Original assignee: Hangzhou Electronic Science and Technology University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University; Hangzhou Electronic Science and Technology University
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2020-01-24
Anticipated expiration: 2039-10-16
Also published as: CN110729713B

Abstract

本发明公开了一种适用于直流微网的二次电压调节方法：根据直流母线电压偏移量及电压调节系数确定各功率单元应承担的直流母线电压调节量；通过各单元的直流母线电压调节量及电压灵敏度更新下垂控制的电压参考值，从而快速、准确地将直流母线电压恢复至目标值；在此基础上，根据系统运行需求设定电流分配系数，在微源间重新进行分配负荷，使得各换流器输出电流满足运行要求。本发明提供的技术方案能实现直流母线电压的精准控制；并可按系统运行需求进行负荷分配，分配结果不受线路阻抗与下垂系数匹配度的限制，提高了微网系统运行的灵活性；同时允许下垂系数在较大范围内进行整定，提高了微网系统运行的稳定性。

Description

一种适用于直流微网的二次电压调节方法

技术领域

本发明属于电力信息技术领域，具体涉及一种适用于直流微网的二次电压调节方法。

背景技术

随着传统化石资源储量急剧减少、全球气象条件的恶化问题的日益突出，各国先后实施了可持续发展战略。分布式发电可对新能源及可再生能源进行有效转化，而微网作为分布式发电的有效载体，成为新能源利用的有效途径之一。

相对于交流微网而言，直流微网不存在电压相位以及频率控制问题，也不存在谐波、无功功率补偿问题，电能质量较容易控制；同时，对于具有多电压等级需求的直流负载群，采用直流母线供电可减少DC-AC、AC-DC能量变换环节，降低系统运行成本，提高整体运行效率。因此，在既定的微网构成及运行参数下，制定有效的能量管理策略、维持电压稳定是直流微网运行控制的基本任务之一。

目前，直流微网运行中功率单元的控制多采用下垂控制策略。采用下垂控制的微网具有较宽的运行范围，能够自适应地在功率单元间分配负荷。但传统的下垂控制具有天然的负特性，导致直流母线电压恢复及负荷电流分配中存在以下问题：1)适宜的下垂系数难以选择。过大的下垂系数导致运行状态发生变化时功率单元的母线电压波动，从而影响直流母线电压的稳定，而较小的下垂系数会产生较大的电流分配误差；2)下垂系数通常被设置成与变换器容量相关的数值，取值范围受到限制，系统运行状态发生剧烈变化时，不适宜的下垂系数将影响系统的稳定性；3)功率单元的负荷分配比例具有局限性，在正常运行状态下仅能按变换器容量比例进行分配，在紧急、过载状态下无法按系统需求进行分配，影响系统运行的经济性及灵活性。

发明内容

为克服上述下垂控制中存在的不足，本发明提供一种可实现直流微网的二次电压调节方法，该方法将具有以下特征：1)能够实现直流母线电压的无偏差控制；2)下垂系数允许取值范围较宽，不受变换器容量配比约束；3)电流分配比例可按运行需求设定，不受线路阻抗与下垂系数匹配程度的影响。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

步骤1)确定下垂控制一次调节后遗留的直流母线电压偏移量：

ΔU_dc＝U_dc,ref-U_dc

式中，U_dc,ref为直流母线电压参考值，U_dc为直流母线电压实际值，ΔU_dc为直流母线电压偏移量。

步骤2)根据电压调节系数k_u,n确定各功率单元应承担的直流母线电压调节量：

ΔU_dc,n＝k_u,n·ΔU_dc

式中，ΔU_dc,n为功率单元n应承担的直流母线电压调节量。电压调节系数可设置为满足下列条件的任意实数：k_u,n∈[0,1]，且∑k_u,n＝1。

步骤3)根据功率单元应承担的直流母线电压调节量以及电压灵敏度计算下垂控制电压参考值的增量：

式中，ΔU′_n,ref为下垂控制中电压参考值的增量；S_n为电压灵敏度，表示功率单元下垂控制中的电压参考值微增量所引起的直流母线电压增量。该灵敏度表明功率单元电压参考值与直流母线电压存在确定性的解析关系，通过调节下垂控制中的电压参考值可以控制直流母线电压。

步骤4)确定各功率单元的电流分配系数k_i,n，并计算各功率单元应分配的负荷电流I_n：

I_n＝k_i,nI_dc

k_i,n在运行中根据运行需求确定，但各系数应满足k_i,n∈[0,1]，且∑k_i,n＝1。

步骤5)确定下垂控制电压参考值的新增量ΔU″_n,ref，以实现功率单元的输出电流与设定的电流分配系数一致，即：

ΔU″_n,ref＝k_i,nI_dc(r_n+m_n)+U_dc-ΔU′_n,ref-U_n,ref

式中，m_n为第n个功率单元下垂控制的下垂系数；U_n,ref为下垂控制初始电压参考值；r_n为功率单元n连接至直流母线的线路电阻。

步骤6)将ΔU′_n,ref及ΔU″_n,ref叠加至下垂控制的初始电压参考值，实现对直流母线电压的精确控制及负荷电流的按需分配。

本发明的适用于直流微网的二次电压调节方法，通过两次调节功率单元下垂控制的电压参考值，实现对直流母线电压的精确控制，并使得功率单元按系统运行需求输出负荷电流。与同类的二次电压调节方法相比，本发明的技术方案有益效果如下：

本发明能够实现直流母线电压的精确控制。

本发明能够按系统需求分配负荷电流。

本发明允许下垂系数在较大范围内取值，可提高微网系统运行的稳定性。

本发明分配负荷电流时不受换流器容量限制，可提高微网系统运行的灵活性。

附图说明

图1为含有两个电源的直流微网结构示意图。

图2为二次调节中电压恢复的控制框图。

图3为二次调节中电流分配的控制框图。

图4为二次电压调节的控制策略框图。

图5为负荷增加时直流母线电压的仿真结果图。

图6为负荷增加时换流器输出电流的仿真结果图。

图7为下垂系数变化时直流母线电压的仿真结果图。

图8为下垂系数变化时换流器输出电流的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。值得注意的是，下述说明是示意性的，而不是限制本发明的应用范围。

如图1所示，实施例的直流微网系统包含两个直流电源，分别通过Boost型变换器、低压电缆接入直流母线。负荷以恒阻型负载模拟接入直流母线。直流微源1、直流微源2的电压分别为24V、12V。Boost型变换器采用下垂控制，电压参考值均为48V，允许工作范围为40～55V；两变换器开关频率均为6kHz，容量为200W。直流母线稳压电容为1800μF。

在传统下垂控制策略下启动仿真，4s前系统处于稳定状态，4s时负荷由24Ω增加至12Ω，直流母线电压变化及功率单元输出电流变化如图5、图6所示。在传统下垂控制策略下(4～5s)，直流母线电压跌至46.5V，低于额定电压；两变换器输出电流为2.55A、1.34A，与电流分配系数不一致，不能按设定比例输出。为了将直流母线电压恢复至参考值，并将变换器输出电流按设定的系数分配，采用本发明的二次电压调节方法，具体过程如下：

1)计算下垂控制一次调节所遗留的直流母线电压偏移量

ΔU_dc＝U_dc,ref-U_dc＝3.1V (1)

2)根据电压调节系数确定各功率单元应承担的直流母线电压调节量，即

ΔU_dc,n＝k_u,n·ΔU_dc (2)

式中，k_u,n为电压调节系数；为ΔU_dc,n为电压调节系数功率单元n应承担的直流母线电压调节量。令各电源以相同比例分担直流母线电压调节任务，即k_u,1＝0.5，k_u,2＝0.5。那么，功率单元承担的直流母线电压调节量为：ΔU_dc,1＝ΔU_dc,2＝1.55V。

3)根据功率单元应承担的直流母线电压调节量以及电压灵敏度计算下垂控制电压参考值的增量ΔU′_n,ref，即：

式中，

它表示功率单元的电压参考值微增量所引起的直流母线电压增量。S_n可根据图2及式(4)、式(5)获得。首先，结合图2将直流母线电压表示为：

进一步地，根据下式确定直流母线电压对下垂控制中电压参考值的一阶偏导数，得到：

将式(5)回代入式(3)，即可得各功率单元下垂控制的电压参考值增量ΔU′_1,ref、ΔU′_2,ref。

4)结合图3，计算各功率单元应输出的负荷电流I_n：

I_n＝k_i,nI_dc (6)

式中，k_i,n为功率单元的电流分配系数，k_i,n在运行中根据运行需求确定，但各系数应满足k_i,n∈[0,1]，且∑k_i,n＝1。对于k_i,n可以有如下选择依据：

①根据DG单元中变换器的容量确定。

②根据DG单元当前备用容量确定。

③或根据优化调度的结果确定。

④以系统所需任意功率比例。

实施例中采用方式④确定电流分配系数，分别为：k_i,1＝2/3，k_i,2＝1/3。

5)为确保电流按设定的电流分配系数输出，整定下垂控制电压参考值新的增量ΔU″_n,ref，即：

ΔU″_n,ref＝k_i,nI_dc(r_n+m_n)+U_dc-ΔU′_n,ref-U_n,ref (7)

式中，U_n,ref为下垂控制中的初始电压参考值；r_n为第n个功率单元连接至直流母线的线路电阻。按式(7)整定电压参考值增量，即可令各功率单元的输出电流与设定的电流分配系数一致。

6)如图4所示，将ΔU′_n,ref及ΔU″_n,ref叠加至下垂控制中的初始电压参考值，生产新的下垂控制中的电压参考值，即可同时实现对直流母线电压的精准控制及负荷电流的分配。

电压控制结果及电流分配结果分别如图5、6中5～7s所示。通过实时调节下垂控制的电压参考值，将直流母线电压恢复至48V，各电源输出电流为2.67A、1.33A，与设定的电流分配系数一致。图5、图6表明，本发明可实现直流母线电压的精准控制及电流的有效分配，且分配结果与电流分配系数一致，不受功率单换流器容量的影响。

下垂系数改变时电压控制及电流分配结果如图7、8所示。其中，4s时两功率单元换流器的下垂系数由1V/A、2V/A变为3V/A、5V/A。下垂系数的改变导致直流母线电压发生波动，变换器输出电流与设定的电流分配系数不一致。5s时启动本发明的电压调节方法，通过步骤1)～步骤6)将直流母线电压恢复至48V，并将功率单元的输出电流调节至设定比例。图7图8表明，本发明的电压调节方法具有良好的稳定性，在下垂系数发生变化时仍可实现直流母线电压的精确控制及负荷电流的有效分配。

以上实施例用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员可参照上述实施例对本发明的具体实施方式进行修改或等同替换，但这些未脱离本发明范围的任何修改或等同替换，均在申请待批的本发明权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种适用于直流微网的二次电压调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)计算直流母线电压偏移量ΔU_dc；

步骤2)确定各功率单元应承担的直流母线电压调节量ΔU_dc,n；

步骤3)根据电压灵敏度确定电压控制环节中下垂控制的电压参考值增量ΔU′_n,ref；

步骤4)依据电流分配系数得到各功率单元应输出的电流I_n；

步骤5)依据电流分配系数确定电流分配环节中下垂控制的电压参考值增量ΔU″_n,ref；

步骤6)将ΔU′_n,ref及ΔU″_n,ref叠加至下垂控制的初始电压参考值U_n,ref，更新下垂控制参数，即可实现对直流母线电压的精准控制及负荷电流的分配。

2.根据权利要求1所述的直流微网二次电压调节方法，其特征在于，步骤1)中直流母线电压偏移量ΔU_dc采用如下方式进行计算：

ΔU_dc＝U_dc,ref-U_dc

式中，U_dc,ref为直流母线电压参考值，U_dc为直流母线电压实际值。

3.根据权利要求1所述的直流微网二次电压调节方法，其特征在于，步骤2)根据如下公式确定各功率单元应承担的直流母线电压调节量：

ΔU_dc,n＝k_u,n·ΔU_dc

式中，ΔU_dc,n为功率单元n应承担的直流母线电压的调节量；k_u,n为电压调节系数，电压调节系数可以任意比例进行分配，须满足k_u,n∈[0,1]，且∑k_u,n＝1。

4.根据权利要求1所述的直流微网二次电压调节方法，其特征在于，步骤3)采用如下公式确定下垂控制的电压参考值增量：

式中，ΔU′_n,ref为下垂控制电压参考值的增量；S_n为直流母线电压对功率单元n的电压参考值灵敏度；其中灵敏度的计算采用如下式:

5.根据权利要求1所述的直流微网二次电压调节方法，其特征在于，步骤4)根据下述依据之一确定各功率单元的负荷分配系数：

①根据DG单元的变换器容量比确定负荷分配系数；

②根据DG单元当前备用容量比确定负荷分配系数

③根据优化调度的结果确定负荷分配系数；

④以系统所需功率比例比确定负荷分配系数；

按上述依据之一确定的负荷分配系数进一步按如下公式分配负荷电流：

I_n＝k_i,nI_dc

式中，I_n为第n个功功率单元应分配的负荷电流。

6.根据权利要求1所述的直流微网二次电压调节方法，其特征在于，步骤5)根据如下公式确定电流分配环节中功率单元下垂控制的电压参考值增量ΔU″_n,ref：

ΔU″_n,ref＝k_i,nI_dc(r_n+m_n)+U_dc-ΔU′_n,ref-U_n,ref

式中，m_n为功率单元n的下垂系数；U_n,ref为下垂控制中初始电压参考值；r_n为功率单元n连接至直流母线的线路电阻。

7.根据权利要求1所述的直流微网二次电压调节方法，其特征在于，步骤6)根据如下方式进行下垂控制的二次调节：

U＝(U_n,ref+ΔU′_n,ref+ΔU″_n,ref)-m_nI_n。